Характеристика осадкообразующих процессов
Осадки формируются в результате микрофизических процессов в облаках, приводящих к значительному росту облачных частиц и их выпадению под действием силы тяжести. Основным условием выпадения осадков является достижение каплями или кристаллами такого размера, при котором их скорость осаждения превышает вертикальные скорости восходящих токов воздуха. Следовательно, осадкообразование включает не только процессы роста частиц, но и их взаимодействие с макроскопическими динамическими структурами атмосферы.
Основные механизмы осадкообразования
Существует два фундаментальных механизма образования осадков, соответствующих двум видам облаков:
Каждый из этих механизмов имеет свою физическую основу и специфические особенности.
Коалесценционный (тёплый) механизм
Коалесценция — это процесс слияния мелких облачных капель при их столкновениях в результате дифференциальной скорости осаждения. В теплых облаках начальный рост капель происходит за счёт диффузионной конденсации водяного пара. Однако этот процесс становится малоэффективным, когда капли достигают размеров порядка 20–30 мкм. Далее ключевым становится коалесценционный рост.
Условия эффективной коалесценции включают:
Математически скорость роста капли при коалесценции описывается уравнением:
$$ \frac{dM}{dt} = \pi R^2 E(u) \rho_l \int_0^\infty K(R, r) n(r) dr $$
где M — масса капли, R — её радиус, K(R, r) — эффективность столкновений между каплей радиуса R и каплей радиуса r, n(r) — спектр распределения капель по радиусам, E(u) — эффективность слипания, зависящая от относительной скорости u, и ρl — плотность воды.
Процесс может быть лавинообразным: по мере увеличения капли её способность к сбору других капель возрастает экспоненциально, что приводит к быстрому формированию дождевых капель радиусом 0,5–2 мм. Когда они достигают достаточной массы, они начинают выпадать как морось или дождь.
Кристаллизационный (холодный) механизм — процесс Бержерона–Финдайзена
В холодных облаках (температура ниже 0 °C) нередко сосуществуют переохлаждённые водяные капли и кристаллы льда. Поскольку насыщенное давление пара над водой значительно выше, чем над льдом, создаётся парциальное перенапряжение, при котором пар осаждается преимущественно на кристаллах.
Таким образом, кристаллы растут за счёт диффузии водяного пара, выделяющегося при испарении переохлаждённых капель, — это и есть суть механизма Бержерона–Финдайзена.
Ключевые условия эффективности процесса:
По мере роста кристаллы становятся достаточно крупными и начинают выпадать. В процессе падения они могут:
Если в нижней части атмосферы температура положительная, кристаллы могут плавиться, превращаясь в дождь.
Агрегация и риминг
Агрегация — это процесс слипания ледяных кристаллов между собой. Особенно активно он происходит в облаках при температурах от −5 до −15 °C, где кристаллы обладают повышенной липкостью из-за наличия тонкой водяной плёнки на поверхности.
Риминг (наращивание) происходит при столкновении кристаллов с переохлаждёнными каплями воды. Последние мгновенно замерзают при контакте, обволакивая кристалл и увеличивая его массу. При интенсивном риминге образуются градины — сферические тела с чередующимися слоями льда и воздуха.
Оба этих процесса существенно ускоряют рост твёрдых осадков и способствуют их выпадению.
Градиентный рост в конвективных системах
В мощных кучево-дождевых и фронтальных облаках крупномасштабная конвекция создаёт вертикальные потоки воздуха с высокими скоростями (до нескольких м/с). Это оказывает значительное влияние на формирование осадков:
Такие условия характерны для образования ливневых осадков, града, мощных снегопадов.
Роль аэрозолей и ядер конденсации
Состав и концентрация аэрозолей напрямую влияют на микрофизику облаков и эффективность осадкообразования. При высоком содержании ядер конденсации формируются многочисленные мелкие капли, что замедляет коалесценцию. Это явление известно как “эффект первого индиректного аэрозольного воздействия”.
С другой стороны, присутствие эффективных ядер кристаллизации способствует быстрому формированию льда и инициирует холодный механизм. Именно поэтому пылевые, морские, вулканические, биологические и антропогенные аэрозоли играют важную роль в погодных и климатических процессах.
Фазовые переходы и теплота в процессах осадкообразования
Образование осадков сопровождается интенсивными фазовыми переходами: испарение, конденсация, замерзание, сублимация. Каждый из них сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты, что влияет на термодинамику облаков:
Таким образом, микрофизика осадков тесно связана с общей динамикой атмосферы и может усиливать или ослаблять метеорологические процессы, включая циклоническую активность, грозовую деятельность и формирование фронтов.
Искусственное воздействие на осадки
Научно-прикладной интерес представляет возможность регулирования осадков с помощью методов активного воздействия на облака:
Хотя эффективность таких мероприятий остаётся предметом научной дискуссии, в ряде регионов мира они применяются с целью управления водными ресурсами и смягчения последствий засух или градобития.